Elektriskie un magnētiskie spēki ir divi dabā sastopami spēki. Lai gan no pirmā acu uzmetiena tie var šķist atšķirīgi, tie abi nāk no laukiem, kas saistīti ar uzlādētām daļiņām. Abiem spēkiem ir trīs galvenās līdzības, un jums vajadzētu uzzināt vairāk par to, kā rodas šīs parādības.
1 - tie nāk divās pretējās šķirnēs
Maksas ir pozitīvas (+) un negatīvas (-). Pamata pozitīvā lādiņa nesējs ir protons un negatīvā lādiņa nesējs ir elektrons. Abiem ir lādiņa lielums e = 1,602 × 10-19 Kulonas.
Pretstati piesaista un patīk atbaidīt; divi pozitīvi lādiņi, kas novietoti tuvu viens otram, būsatvairītvai piedzīvo spēku, kas viņus izstumj. Tas pats attiecas uz diviem negatīviem lādiņiem. Tomēr pozitīvs un negatīvs lādiņšpiesaistītviens otru.
Piesaiste starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem ir tā, kas vairumam priekšmetu mēdz padarīt elektriski neitrālu. Tā kā Visumā ir tikpat daudz pozitīvo kā negatīvo lādiņu, un pievilcīgie un atgrūdošie spēki darbojas tā, kā rīkojas, lādiņi mēdzneitralizētvai atceliet viens otru.
Magnētiem līdzīgi ir ziemeļu un dienvidu stabi. Divi magnētiskie ziemeļu stabi viens otru atgrūdīs tāpat kā divi magnētiskie dienvidu stabi, bet ziemeļu pols un dienvidu pols piesaistīs viens otru.
Ņemiet vērā, ka vēl viena parādība, kuru jūs, iespējams, pazīstat, gravitācija, nav šāda. Gravitācija ir pievilcīgs spēks starp divām masām. Ir tikai viens masas “veids”. Tas nenotiek pozitīvās un negatīvās šķirnēs, piemēram, elektrība un magnētisms. Un šī viena veida masa vienmēr ir pievilcīga un nav atgrūdoša.
Starp magnētiem un lādiņiem ir atšķirīga atšķirība, jo magnēti vienmēr parādās kā dipols. Tas ir, jebkuram konkrētam magnētam vienmēr būs ziemeļu un dienvidu pols. Abus polus nevar atdalīt.
Elektrisko dipolu var izveidot arī, novietojot pozitīvu un negatīvu lādiņu nelielā attālumā viens no otra, taču vienmēr ir iespējams šos lādiņus atdalīt vēlreiz. Ja jūs iedomāties stieņa magnētu ar tā ziemeļu un dienvidu stabiem, un jums bija jāmēģina to pārgriezt uz pusēm, lai izveidotu a atsevišķi ziemeļus un dienvidus, tā vietā rezultāts būtu divi mazāki magnēti, abiem ar saviem ziemeļiem un dienvidiem stabi.
2 - viņu relatīvais spēks, salīdzinot ar citiem spēkiem
Ja salīdzinām elektrību un magnētismu ar citiem spēkiem, mēs redzam dažas atšķirīgas atšķirības. Četri Visuma pamatspēki ir spēcīgie, elektromagnētiskie, vājie un gravitācijas spēki. (Ņemiet vērā, ka elektriskos un magnētiskos spēkus raksturo viens un tas pats vārds - vairāk par to mazliet.)
Ja mēs uzskatām, ka spēcīgajam spēkam - spēkam, kas satur nukleonus kopā atoma iekšpusē - ir 1 lielums, tad elektrībai un magnētismam ir relatīvs lielums 1/137. Vājā spēka, kas ir atbildīgs par beta sabrukšanu, relatīvais lielums ir 10-6, un gravitācijas spēka relatīvais lielums ir 6 × 10-39.
Jūs lasījāt šīs tiesības. Tā nebija drukas kļūda. Gravitācijas spēks, salīdzinot ar visu pārējo, ir ārkārtīgi vājš. Tas varētu šķist pretrunīgi - galu galā gravitācija ir spēks, kas uztur planētas kustībā un tur mūsu kājas uz zemes! Bet apsveriet, kas notiek, kad paņemat saspraudi ar magnētu vai salveti ar statisko elektrību.
Spēks, kas pavelk vienu mazo magnētu vai statiski uzlādētu priekšmetu, var neitralizēt visas Zemes gravitācijas spēku, kas velk saspraudi vai audus! Mēs domājam, ka gravitācija ir daudz spēcīgāka nevis tāpēc, ka tā ir, bet tāpēc, ka mums ir visa pasaules gravitācijas spēks rīkojoties ar mums visu laiku, turpretī binārā rakstura dēļ lādiņi un magnēti bieži vien sevi sakārto tā, lai būtu neitralizēts.
3 - Elektrība un magnētisms ir vienas un tās pašas parādības divas puses
Ja paskatāmies rūpīgāk un patiešām salīdzinām elektrību un magnētismu, redzam, ka fundamentālā līmenī tie ir divi vienas un tās pašas parādības aspekti, ko saucelektromagnētisms. Pirms mēs pilnībā aprakstām šo parādību, ļaujiet dziļāk izprast iesaistītos jēdzienus.
Elektriskie un magnētiskie lauki
Kas ir lauks? Dažreiz ir noderīgi domāt par kaut ko tādu, kas šķiet pazīstamāks. Gravitācija, tāpat kā elektrība un magnētisms, ir arī spēks, kas rada lauku. Iedomājieties kosmosa reģionu ap Zemi.
Jebkura dotā masa kosmosā sajutīs spēku, kas atkarīgs no tās masas lieluma un attāluma no Zemes. Tātad mēs iedomājamies, ka telpā ap Zemi ir alaukā, tas ir, vērtība, kas piešķirta katram telpas punktam, kas dod zināmu norādi par to, cik relatīvi liels un kādā virzienā būtu atbilstošs spēks. Gravitācijas lauka lieluma attālumsrno masasM, piemēram, tiek dota pēc formulas:
E = {GM \ virs {1pt} r ^ 2}
KurGir universālā gravitācijas konstante 6,67408 × 10-11 m3/(kgs2). Ar šo lauku saistītais virziens jebkurā dotajā punktā būtu vienības vektors, kas vērsts uz Zemes centru.
Elektriskie lauki darbojas tāpat. Elektriskā lauka lieluma attālumsrno punkta maksasqizsaka pēc formulas:
E = {kq \ virs {1pt} r ^ 2}
Kurkir Kulona konstante 8,99 × 109 Nm2/ C2. Šī lauka virziens jebkurā dotajā punktā ir virzienā uz lādiņuqjaqir negatīva un nav uzlādētaqjaqir pozitīvs.
Ņemiet vērā, ka šie lauki ievēro apgrieztu kvadrātu likumu, tādēļ, ja jūs pārvietojaties divreiz tālāk, lauks kļūst par ceturtdaļu spēcīgāks. Lai atrastu elektrisko lauku, ko rada vairāki punktu lādiņi, vai nepārtrauktu lādiņa sadalījumu, mēs vienkārši atrastu sadalījuma superpozīciju vai veiktu integrāciju.
Magnētiskie lauki ir nedaudz sarežģītāki, jo magnēti vienmēr nāk kā dipoli. Magnētiskā lauka lielumu bieži apzīmē ar burtuB, un precīza tā formula ir atkarīga no situācijas.
Tātad, kur magnētismsTiešāmNāk no?
Elektroenerģijas un magnētisma saistība zinātniekiem bija acīmredzama tikai vairākus gadsimtus pēc katra sākotnējiem atklājumiem. Daži galvenie eksperimenti, kas pēta abu parādību mijiedarbību, galu galā noveda pie izpratnes, kas mums ir šodien.
Pašreizējie nesošie vadi rada magnētisko lauku
1800. gadu sākumā zinātnieki pirmo reizi atklāja, ka magnētiskā kompasa adata var tikt novirzīta, turot to pie stieples, kas ved strāvu. Izrādās, ka strāvas pārneses vads rada magnētisko lauku. Šis magnētiskais lauks ir attālumsrno bezgalīgi garas stieples, kas ved strāvuEsizsaka pēc formulas:
B = {\ mu_0 I \ virs {1pt} 2 \ pi r}
Kurμ0 ir vakuuma caurlaidība 4π × 10-7 N / A2. Šī lauka virzienu norādalabās rokas likums- norādiet labās rokas īkšķi strāvas virzienā, un pēc tam pirksti aptinās stiepli aplī, norādot magnētiskā lauka virzienu.
Šis atklājums noveda pie elektromagnētu radīšanas. Iedomājieties, kā paņemt strāvu nesošu vadu un ietīt to spolē. Iegūtā magnētiskā lauka virziens izskatīsies kā stieņa magnēta dipola lauks!
•••Pixabay
Bet kā ar stieņu magnētiem? Kur rodas viņu magnētisms?
Magnētismu stieņa magnētā rada elektronu kustība atomos, kas to veido. Kustīgais lādiņš katrā atomā rada nelielu magnētisko lauku. Lielākajā daļā materiālu šie lauki ir orientēti katrā virzienā, kā rezultātā nerodas ievērojams tīkla magnētisms. Bet dažos materiālos, piemēram, dzelzs, materiāla sastāvs ļauj visiem laukiem izlīdzināties.
Tātad magnētisms patiešām ir elektrības izpausme!
Bet pagaidiet, tur ir vairāk!
Izrādās, ka magnētisms rodas ne tikai no elektrības, bet no magnētisma var radīt elektrību. Šo atklājumu izdarīja Maikls Faradejs. Neilgi pēc atklājuma, ka elektrība un magnētisms ir saistīti, Faradejs atrada veidu, kā ģenerēt strāvu stieples spolē, mainot magnētisko lauku, kas iet caur spoles centru.
Faradejas likumsnorāda, ka spolē inducētā strāva plūdīs virzienā, kas ir pretrunā ar izmaiņām, kuras to izraisīja. Ar to tiek domāts tas, ka inducētā strāva plūst virzienā, kas ģenerē magnētisko lauku, kas pretojas mainīgajam magnētiskajam laukam, kas to izraisīja. Būtībā inducētā strāva vienkārši mēģina neitralizēt visas lauka izmaiņas.
Tātad, ja ārējais magnētiskais lauks ir vērsts uz spoli un pēc tam palielinās, strāva būs plūst tādā virzienā, lai izveidotu magnētisko lauku, kas norāda no cilpas, lai to neitralizētu mainīt. Ja ārējais magnētiskais lauks ir vērsts uz spoli un samazinās, tad strāva plūst šādā virzienā radīt magnētisko lauku, kas arī norāda uz spoli, lai neitralizētu izmaiņas.
Faradejas atklājums noveda pie mūsdienu enerģijas ģeneratoru tehnoloģijas. Lai ražotu elektrību, ir jābūt iespējai mainīt magnētisko lauku, kas iet caur stieples spoli. Jūs varat iedomāties stieples spoles pagriešanu spēcīga magnētiskā lauka klātbūtnē, lai ieviestu šīs izmaiņas. To bieži veic ar mehāniskiem līdzekļiem, piemēram, ar vēja vai plūstoša ūdens palīdzību turbīnu pārvieto.
•••Pixabay
Magnētiskā spēka un elektriskā spēka līdzības
Magnētiskā spēka un elektriskā spēka līdzības ir daudz. Abi spēki darbojas uz apsūdzībām, un to izcelsme ir vienā un tajā pašā parādībā. Abiem spēkiem ir salīdzināms stiprums, kā aprakstīts iepriekš.
Elektriskais spēks uzlādētsqlauka dēļEdod:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Uzlādes magnētiskais spēksqpārvietojas ar ātrumuvlauka dēļBir noteikts Lorenca spēka likumā:
vec {F} = q \ vec {v} \ reizes \ vec {B}
Vēl viens šo attiecību formulējums ir:
vec {F} = \ vec {I} L \ reizes \ vec {B}
KurEsir pašreizējais unLvadu vai vadoša ceļa garums laukā.
Papildus daudzajām magnētiskā spēka un elektriskā spēka līdzībām ir arī dažas atšķirīgas atšķirības. Ņemiet vērā, ka magnētiskais spēks neietekmēs stacionāru lādiņu (ja v = 0, tad F = 0) vai lādiņu, kas virzās paralēli lauka virzienam (kā rezultātā tiek iegūts 0 krustojums), un faktiski magnētiskā spēka iedarbības pakāpe mainās atkarībā no leņķa starp ātrumu un laukā.
Elektroenerģijas un magnētisma saistība
Džeimss Klerks Maksvels atvasināja četru vienādojumu kopumu, kas matemātiski apkopo attiecības starp elektrību un magnētismu. Šie vienādojumi ir šādi:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ reizes \ vec {E} = - \ dfrac {\ daļējs \ vec {B}} {\ daļējs t} \\ \ teksts {} \\ \ triangledown \ reizes \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ daļējs \ vec {E}} {\ daļējs t}
Visas iepriekš apspriestās parādības var aprakstīt ar šiem četriem vienādojumiem. Bet vēl interesantāk ir tas, ka pēc to atvasināšanas tika atrasts šo vienādojumu risinājums, kas nešķita atbilstošs iepriekš zināmajam. Šis risinājums aprakstīja pašpopulējošo elektromagnētisko vilni. Bet, kad tika iegūts šī viļņa ātrums, tika noteikts:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 m / s
Tas ir gaismas ātrums!
Kāda ir šī nozīme? Nu, izrādās, ka gaisma, parādība, kuras zinātnieki jau ilgu laiku ir pētījuši īpašības, faktiski bija elektromagnētiska parādība. Tāpēc šodien jūs redzat, kā to saucelektromagnētiskā radiācija.
•••Pixabay